Основе електричне енергије

Стари Грци су посматрали електричне феномене много пре него што је почело проучавање електрицитета. Довољно је протрљати полудраги камен ћилибара вуном или крзном, јер почиње да привлачи комаде суве сламе, папира или пуха и перја.

Модерни школски експерименти користе стаклене и ебонитне шипке протрљане свилом или вуном. У овом случају се сматра да на стакленој шипки остаје позитивно наелектрисање, а на ебонитној шипки негативно. Ове шипке такође могу привући мале комаде папира или слично. мале предмете. Управо та привлачност је ефекат електричног поља који је проучавао Цхарлес Цоуломб.

На грчком се ћилибар назива електроном, па је да би описао такву привлачну силу, Вилијам Хилберт (1540 - 1603) предложио термин "електрични".

Енглески научник Стони Џорџ Џонстон је 1891. године поставио хипотезу о постојању електричних честица у супстанцама, које је назвао електронима. Ова изјава је знатно олакшала разумевање електричних процеса у жицама.

Електрони у металима су прилично слободни и лако се одвајају од својих атома, а под дејством електричног поља, тачније, потенцијалне разлике се крећу између атома метала, стварајући електрична енергија… Дакле, електрична струја у бакарној жици је ток електрона који тече дуж жице од једног до другог краја.

Нису само метали способни да проводе електричну енергију. Под одређеним условима, течности, гасови и полупроводници су електрично проводљиви. У овим срединама, носиоци наелектрисања су јони, електрони и рупе. Али за сада говоримо само о металима, јер ни у њима није све тако једноставно.

За сада је реч о једносмерној струји чији се правац и величина не мењају. Због тога је на електричним дијаграмима могуће стрелицама назначити где тече струја. Верује се да струја тече од позитивног до негативног пола, закључак је донет у раној фази проучавања електрицитета.

Касније се испоставило да се електрони заправо крећу у потпуно супротном смеру — од минуса до плуса. Али упркос томе, они нису одустали од "погрешног" правца, штавише, овај правац се назива техничким смером струје. Каква је разлика ако лампа и даље светли. Правац кретања електрона назива се правим и најчешће се користи у научним истраживањима.

Ово је илустровано на слици 1.

Слика 1.

Ако се прекидач неко време „баци” на батерију, електролитички кондензатор Ц ће се напунити и на њему ће се накупити нешто наелектрисања. Након пуњења кондензатора, прекидач је окренут ка сијалици. Лампа трепери и гаси се - кондензатор се празни. Сасвим је очигледно да трајање блица зависи од количине електричног набоја ускладиштеног у кондензатору.

Галванска батерија такође складишти електрични набој, али много више од кондензатора. Дакле, време блица је довољно дуго — лампа може да гори неколико сати.

Електрични набој, струја, отпор и напон

Проучавање електричних наелектрисања спровео је француски научник Ц. Цоуломб, који је 1785. године открио закон назван по њему.

У формулама, електрични набој се означава као К или к. Физички смисао ове величине је способност наелектрисаних тела да ступе у електромагнетне интеракције: како се наелектрисања одбијају, различита се привлаче.Сила интеракције између наелектрисања је директно пропорционална величини наелектрисања и обрнуто пропорционална квадрату растојања. између њих. Ако је у форми формуле, изгледа овако:

Ф = к1 * к2 / р2

Електрични набој електрона је веома мали, па у пракси користе величину наелектрисања која се зове кулон... Управо та вредност се користи у међународном систему СИ (Ц). Привезак садржи не мање од 6,24151 * 1018 (десет на осамнаесту потенцију) електрона. Ако се 1 милион електрона у секунди ослободи овог набоја, онда ће овај процес трајати до 200 хиљада година!

Јединица за мерење струје у систему СИ је Ампер (А), названа по француском научнику Андре Мари Ампереу (1775 — 1836). При струји од 1А, наелектрисање од тачно 1 Ц прође кроз попречни пресек жице за 1 секунду. Математичка формула у овом случају је следећа: И = К / т.

У овој формули, струја је у амперима, наелектрисање је у кулонима, а време у секундама. Сви уређаји морају бити у складу са СИ системом.

Другим речима, један привезак се ослобађа у секунди. Веома слична брзини аутомобила у километрима на сат.Према томе, јачина електричне струје није ништа друго до брзина протока електричног набоја.

У свакодневном животу чешће се користи вансистемска јединица Ампер * сат. Довољно је присетити се аутомобилских батерија, чији је капацитет назначен само у ампер-сатима. И сви то знају и разумеју, иако се нико не сећа било каквих привесака у продавницама ауто делова. Али у исто време и даље постоји однос: 1 Ц = 1 * / 3600 ампера * сат. Такву количину могуће је назвати ампер * секунда.

У другој дефиницији, струја од 1 А тече у проводнику отпора 1 Ω ат разлика потенцијала (напон) на крајевима жице 1 В. Однос између ових вредности је одређен Охмов закон... Ово је можда најважнији електрични закон, није случајно да народна мудрост каже: «Ако не знаш Омов закон, остани код куће!»

Тест Охмовог закона

Овај закон је сада свима познат: "Струја у колу је директно пропорционална напону и обрнуто пропорционална отпору." Чини се да постоје само три слова — И = У / Р, сваки ученик ће рећи: «Па шта?». Али заправо је пут до ове кратке формуле био прилично трновит и дуг.

Да бисте тестирали Охмов закон, можете саставити најједноставније коло приказано на слици 2.

Слика 2.

Истраживање је прилично једноставно - повећањем напона напајања тачку по тачку на папиру, конструишите графикон приказан на слици 3.

Слика 3.

Чини се да би график требало да се покаже као савршено равна линија, пошто се однос И = У / Р може представити као У = И * Р, а у математици је то права линија. У ствари, на десној страни, линија се савија. Можда не много, али се савија и из неког разлога је веома свестран.У овом случају, савијање ће зависити од начина загревања тестираног отпора. Није за ништа што је направљен од дугачке бакарне жице: можете чврсто намотати калем на калем, можете га затворити слојем азбеста, можда је температура у просторији данас иста, али јуче је била другачије, или постоји промаја у просторији.

То је зато што температура утиче на отпор на исти начин као и линеарне димензије физичких тела када се загреју. Сваки метал има свој температурни коефицијент отпорности (ТЦР). Али скоро сви знају и памте о експанзији, али заборавите на промену електричних својстава (отпор, капацитивност, индуктивност). Али температура у овим експериментима је најстабилнији извор нестабилности.

Са књижевне тачке гледишта, испоставило се да је то прилично лепа таутологија, али у овом случају врло прецизно изражава суштину проблема.

Многи научници средином 19. века покушавали су да открију ову зависност, али је нестабилност експеримената ометала и изазивала сумње у истинитост добијених резултата.У томе је успео само Георг Симон Охм (1787-1854), који је успео да одбаци све нуспојаве или, како кажу, видети шуму за дрвећем. Отпор од 1 Охма и даље носи име овог бриљантног научника.

Сваки састојак се може изразити Охмовим законом: И = У / Р, У = И * Р, Р = У / И.

Да се ​​ти односи не би заборавили, постоји такозвани Омов троугао, или нешто слично, приказано на слици 4.

Слика 4. Омов троугао

Коришћење је врло једноставно: само прстом затворите жељену вредност и друга два слова ће вам показати шта да радите са њима.

Остаје да се подсетимо какву улогу игра напетост у свим овим формулама, које је њено физичко значење. Напон се обично схвата као разлика потенцијала у две тачке у електричном пољу. За лакше разумевање користе аналогије, по правилу, са резервоаром, водом и цевима.

У овој „водоводној“ шеми, потрошња воде у цеви (литара/сек) је само струја (кулона/сек), а разлика између горњег нивоа у резервоару и отворене славине је разлика потенцијала (напон) . Такође, ако је вентил отворен, излазни притисак је једнак атмосферском, што се може узети као условни нулти ниво.

У електричним колима, ова конвенција омогућава да се узме тачка за заједнички проводник („земља“) према којој се врше сва мерења и подешавања. Најчешће се претпоставља да је негативни терминал напајања ова жица, иако то није увек случај.

Разлика потенцијала се мери у волту (В), названом по италијанском физичару Алесандру Волти (1745-1827). Према савременој дефиницији, са потенцијалном разликом од 1 В, енергија од 1 Ј се троши за покретање наелектрисања од 1 Ц. Потрошена енергија се допуњава извором напајања, по аналогији са "водоводним" колом, он ће бити пумпа која подржава ниво воде у резервоару.